La supresión y cancelación de eco son métodos utilizados en telefonía para mejorar la calidad de la voz evitando que se cree eco o eliminándolo una vez que ya está presente. Además de mejorar la calidad de audio subjetiva, la supresión de eco aumenta la capacidad lograda mediante la supresión del silencio al evitar que el eco viaje a través de una red de telecomunicaciones . Los supresores de eco se desarrollaron en la década de 1950 en respuesta al primer uso de satélites para telecomunicaciones.
Los métodos de supresión y cancelación de eco se denominan comúnmente supresión de eco acústico ( AES ) y cancelación de eco acústico ( AEC ), y más raramente cancelación de eco de línea ( LEC ). En algunos casos, estos términos son más precisos, ya que existen varios tipos y causas de eco con características únicas, incluido el eco acústico (sonidos de un altavoz reflejados y grabados por un micrófono, que pueden variar sustancialmente con el tiempo) y el eco de línea ( impulsos eléctricos causados, por ejemplo, por acoplamiento entre los cables emisores y receptores, desajustes de impedancia, reflexiones eléctricas, etc., [1] que varía mucho menos que el eco acústico). En la práctica, sin embargo, se utilizan las mismas técnicas para tratar todos los tipos de eco, por lo que un cancelador de eco acústico puede cancelar tanto el eco de línea como el eco acústico. AEC en particular se usa comúnmente para referirse a los canceladores de eco en general, independientemente de si fueron diseñados para eco acústico, eco de línea o ambos.
Aunque los supresores y canceladores de eco tienen objetivos similares (evitar que una persona que habla escuche el eco de su propia voz), los métodos que utilizan son diferentes:
Los estándares de la UIT G.168 y P.340 describen requisitos y pruebas para canceladores de eco en aplicaciones digitales y PSTN , respectivamente.
En telefonía , el eco es la copia reflejada de la propia voz que se escucha algún tiempo después. Si el retraso es bastante significativo (más de unos pocos cientos de milisegundos), se considera molesto. Si el retraso es muy pequeño (decenas de milisegundos o menos [3] ), el fenómeno se denomina efecto local . Si el retraso es un poco más largo, alrededor de 50 milisegundos, los humanos no pueden escuchar el eco como un sonido distinto, sino que escuchan un efecto de coro . [3]
En los primeros días de las telecomunicaciones, la supresión de eco se utilizaba para reducir la naturaleza objetable de los ecos para los usuarios humanos. Una persona habla mientras la otra escucha y hablan de un lado a otro. Un supresor de eco intenta determinar cuál es la dirección principal y permite que ese canal avance. En el canal inverso, coloca atenuación para bloquear o suprimir cualquier señal suponiendo que la señal sea eco. Aunque el supresor se ocupa eficazmente del eco, este enfoque genera varios problemas que pueden resultar frustrantes para ambas partes de una llamada.
En respuesta a esto, Bell Labs desarrolló la teoría de los canceladores de eco a principios de los años 1960, [4] [5] que luego resultó en canceladores de eco de laboratorio a finales de los años 1960 y canceladores de eco comerciales en los años 1980. [6] Un cancelador de eco funciona generando una estimación del eco a partir de la señal del hablante y restando esa estimación del camino de retorno. Esta técnica requiere un filtro adaptativo para generar una señal lo suficientemente precisa como para cancelar efectivamente el eco, donde el eco puede diferir del original debido a varios tipos de degradación a lo largo del camino. Desde la invención en AT&T Bell Labs [5] los algoritmos de cancelación de eco se han mejorado y perfeccionado. Como todos los procesos de cancelación de eco, estos primeros algoritmos fueron diseñados para anticipar la señal que inevitablemente volvería a entrar en la ruta de transmisión y cancelarla.
Los rápidos avances en el procesamiento de señales digitales permitieron que los canceladores de eco fueran más pequeños y más rentables. En la década de 1990, los canceladores de eco se implementaron por primera vez dentro de los conmutadores de voz (en el Northern Telecom DMS-250 ) en lugar de como dispositivos independientes. La integración de la cancelación de eco directamente en el conmutador significó que los canceladores de eco se podían activar o desactivar de manera confiable llamada por llamada, eliminando la necesidad de grupos troncales separados para llamadas de voz y datos. La tecnología telefónica actual a menudo emplea canceladores de eco en dispositivos de comunicación pequeños o portátiles a través de un motor de voz de software , que proporciona cancelación del eco acústico o del eco residual introducido por un sistema de puerta de enlace PSTN de extremo lejano; Estos sistemas suelen cancelar las reflexiones del eco con un retraso de hasta 64 milisegundos.
El proceso de cancelación de eco funciona de la siguiente manera:
El principal desafío para un cancelador de eco es determinar las características de respuesta del filtro que se aplicará a la señal del extremo lejano de manera que se parezca al eco resultante del extremo cercano. El filtro es esencialmente un modelo de altavoz, micrófono y atributos acústicos de la sala. Los canceladores de eco deben ser adaptables porque las características del altavoz y del micrófono del extremo cercano generalmente no se conocen de antemano. Los atributos acústicos de la habitación del extremo cercano tampoco se conocen generalmente de antemano y pueden cambiar (por ejemplo, si el micrófono se mueve con respecto al altavoz o si las personas caminan por la habitación provocando cambios en los reflejos acústicos). [2] [7] Al utilizar la señal del extremo lejano como estímulo, los sistemas modernos utilizan un filtro adaptativo y pueden converger desde no proporcionar cancelación hasta 55 dB de cancelación en aproximadamente 200 ms. [ cita necesaria ]
La cancelación del eco por sí sola puede resultar insuficiente en muchas aplicaciones. La cancelación y supresión de eco pueden funcionar en conjunto para lograr un rendimiento aceptable.
El eco se mide comopérdida de retorno del eco (ERL). Esta es la relación, expresada endecibeles, entre la señal original y su eco.[8]Los valores altos significan que el eco es muy débil, mientras que los valores bajos significan que el eco es muy fuerte. Negativo indica que el eco es más fuerte que la señal original, lo que si no se controla provocaríaretroalimentación de audio.
El rendimiento de un cancelador de eco se mide en mejora de la pérdida de retorno del eco (ERLE), [3] [9], que es la cantidad de pérdida de señal adicional aplicada por el cancelador de eco. La mayoría de los canceladores de eco pueden aplicar ERLE de 18 a 35 dB.
La pérdida total de señal del eco (ACOM) es la suma de ERL y ERLE. [9] [10]
Las fuentes de eco se encuentran en entornos cotidianos como:
En algunos de estos casos, el sonido del altavoz entra al micrófono casi inalterado. Las dificultades para cancelar el eco surgen de la alteración del sonido original por el espacio ambiental. Estos cambios pueden incluir la absorción de ciertas frecuencias por muebles tapizados y el reflejo de diferentes frecuencias con intensidad variable.
La implementación de AEC requiere experiencia en ingeniería y un procesador rápido, generalmente en forma de procesador de señal digital (DSP); este costo en capacidad de procesamiento puede resultar costoso; sin embargo, muchos sistemas integrados tienen un AEC completamente funcional.
Los parlantes inteligentes y los sistemas interactivos de respuesta de voz que aceptan voz como entrada utilizan AEC mientras se reproducen las indicaciones de voz para evitar que el propio reconocimiento de voz del sistema reconozca falsamente las indicaciones repetidas y otras salidas.
Las líneas telefónicas estándar utilizan el mismo par de cables para enviar y recibir audio, lo que da como resultado que una pequeña cantidad de la señal saliente se refleje. Esto es útil para las personas que hablan por teléfono, ya que proporciona una señal al hablante de que su voz está pasando a través del sistema. Sin embargo, esta señal reflejada causa problemas al módem, que no puede distinguir entre una señal del módem remoto y el eco de su propia señal.
Por esta razón, los módems de acceso telefónico anteriores dividían las frecuencias de la señal, de modo que los dispositivos en cada extremo usaban tonos diferentes, lo que permitía a cada uno ignorar cualquier señal en el rango de frecuencia que estaba usando para la transmisión. Sin embargo, esto disminuyó la cantidad de ancho de banda disponible para ambas partes.
La cancelación de eco mitigó este problema. Durante el período de configuración y negociación de la llamada, ambos módems envían una serie de tonos únicos y luego escuchan su regreso a través del sistema telefónico. Miden el tiempo total de retraso y luego configuran una línea de retraso para ese mismo período. Una vez completada la conexión, envían sus señales a las líneas telefónicas de forma normal, pero también a la línea de retardo. Cuando su señal se refleja, se mezcla con la señal invertida de la línea de retardo, lo que cancela el eco. Esto permitió que ambos módems utilizaran todo el espectro disponible, duplicando la velocidad posible.
Muchas empresas de telecomunicaciones también aplican la cancelación de eco a la línea misma y pueden causar corrupción de datos en lugar de mejorar la señal. Algunos conmutadores o convertidores telefónicos (como los adaptadores de terminales analógicos) desactivan la supresión o cancelación de eco cuando detectan los tonos de respuesta de 2100 o 2225 Hz asociados con dichas llamadas, de acuerdo con la recomendación ITU-T G.164 o G.165 .
Los módems ISDN y DSL que funcionan en frecuencias por encima de la banda de voz a través de cables telefónicos de par trenzado estándar también utilizan la cancelación de eco automatizada para permitir la comunicación de datos bidireccional simultánea. La complejidad computacional al implementar el filtro adaptativo se reduce mucho en comparación con la cancelación de eco de voz porque la señal de transmisión es un flujo de bits digitales. En lugar de una operación de multiplicación y suma para cada grifo en el filtro, solo se requiere la suma. Un esquema de cancelación de eco basado en una tabla de búsqueda de RAM [11] [12] elimina incluso la operación de suma simplemente direccionando una memoria con un flujo de bits de transmisión truncado para obtener la estimación del eco. La cancelación de eco ahora se implementa comúnmente con técnicas de procesador de señal digital (DSP).
Algunos módems utilizan frecuencias entrantes y salientes separadas o asignan intervalos de tiempo separados para transmitir y recibir para eliminar la necesidad de cancelación de eco. Las frecuencias más altas más allá de los límites del diseño original de los cables telefónicos sufren una distorsión de atenuación significativa debido a derivaciones del puente y una adaptación de impedancia incompleta . A menudo se producen diferencias de frecuencia profundas y estrechas que no pueden solucionarse mediante la cancelación del eco. Estos se detectan y mapean durante la negociación de la conexión.